[发明专利]基于聚苯胺-碳化钒的氨气传感器制备方法及其检测系统和应用

权利要求书

1.一种基于聚苯胺-碳化钒的氨气传感器制备方法，其特征在于，气敏传感器表面采用聚苯胺-碳化钒复合材料，PANI-V₂C电阻式氨气气敏传感器制备步骤包括：

1)采用熔融盐法制备V₂AlC；

2)将V₂AlC粉末浸入蚀刻液制成V₂C MXene：蚀刻液由NaF与盐酸混合制成；将1.44gV₂AlC粉末浸入蚀刻液，并在搅拌下将溶液90℃保持72小时；之后，从蚀刻液中离心分离出V₂C粉末，并用去离子水和乙醇分别洗涤若干，除去吸收的离子和残留的前体；

3)采用原位聚合法制备PANI-V₂C复合材料：①将2.5mL盐酸加入到30mL去离子水中，然后将91.75μL苯胺混合到酸溶液中搅拌；②同时将0.225g过硫酸铵和1g V₂C加入20mL去离子水中搅拌；③将上述①中最后得到的和②中最后得到的两种溶液混合之后搅拌形成均匀溶液；④在0℃-5℃下，搅拌③中最后得到的溶液2个小时，直至溶液的颜色从黑色逐渐变为深绿色，PANI-V₂C复合材料溶液形成；

4)通过用交叉指型电极将PANI-V₂C溶液滴在环氧树脂基板上形成传感膜，然后在60℃下真空干燥4小时，得到PANI-V₂C气敏传感器；

其中，在环氧树脂基板表面制造PANI-V₂C混合薄膜之后，叉指电极的电阻随氨气浓度的变化而变化；

在步骤1)中，V₂AlC制备方法包括：①按照摩尔比2:1.2:1称取V、Al和C粉末，根据(2V/1.2Al/C):NaCl＝1:1的质量比称取氯化钠NaCl粉末；②将各粉末在球磨机内充分混合12小时；③送入氧化铝坩埚的管式炉中，在99％v/v的流动氩气气氛中于1400℃退火2小时；④将退火后的产物压碎并通过500目筛，得到V₂AlC粉末；

PANI-V₂C混合膜表面上的氨气吸附过程为：

①由于PANI属于翠绿亚胺盐形态的导电p型半导体，结合现场的氧化聚合反应，其首先会发生质子化产生N⁺-H化学键；②由可逆反应当传感器接触氨气时，PANI表面会吸收氨分子；③并且PANI的NH基团与氨分子反应形成NH₄⁺，故传感器的电阻值随着氨气浓度的升高而逐渐增加；④当传感器重新放置于空气中时，上述反应的产物重新产生氨气分子和质子，传感器的电阻值随着氨气浓度的降低而降低；

在PANI-V₂C混合膜中，对于处于动态平衡状态的p-n异质结：

①在p型PANI和n型V₂C的异质结处会产生耗尽层电子场：当传感器接触到氨气时，PANI的空穴和V₂C的电子各自向相反的方向移动，直至新的费米能级达到平衡；在上述过程中，p型PANI和n型V₂C之间的电子转移由于势垒的存在而移动受阻，导致耗尽层的厚度增加，进而使得传感器电阻值的增加；

②PANI-V₂C的p-n异质结具有电敏性质和信号放大功能，其能够将不同氨气浓度信号转化为电阻信号并进一步放大。

2.一种采用如权利要求1所述制备方法所得氨气传感器的检测系统，其特征在于，PANI-V₂C氨气传感器通过自供电装置进行供电，将得到的直流电驱动传感器，通过对传感器电气参数的测定实现气体浓度的检测。